通过空间复用超表面实现多通道超声贝塞尔涡旋波束

可操纵的声学螺旋

想象一下，能够将声波扭成微小的水下漩涡，并从一个静默的芯片同时向不同方向发出多个这样的漩涡。这项研究正是实现了这一点：它展示了如何将超声塑造成多个可独立偏转的、紧密聚焦的“涡旋”波束，从而为更丰富的水下通信以及对细胞或微粒等显微物体的温和、无接触操控打开了可能。

为什么扭曲的声音很重要

在水中，声音通常是通信或探测环境的最佳手段。除了简单的直线波束之外，工程师们已经学会制造像螺旋一样的声波，称为涡旋。这些旋转的波束携带一种“扭转”特性，能在中心暗区俘获小颗粒并使其旋转，不同的扭转还可以作为传输信息的独立通道。迄今为止，大多数装置只能产生单一涡旋或固定的模式，这限制了这些奇异声场在实际技术中的应用。

一片透镜，多个声学漩涡

研究团队设计了一种特殊的平面透镜，或称超表面，由密集排列的微小柱状结构构成，每根柱子宽约五分之一毫米。当超声通过时，这些柱子的高度差会对声波产生不同的延时，从而重塑出射波。研究者并没有将整个表面用于单一模式，而是在格栅上交错布置四种模式，类似一种棋盘格，每种“颜色”对应不同的通道。这样，一束简单的入射平面波便被转换为四个独立的涡旋波束，每个波束倾斜到不同方向并携带各自的扭转，且无需移动部件或复杂电子设备。

保持波束的紧致与效率

通常，涡旋声束在传播时会快速发散，导致能量损失。为此，作者将涡旋形状与另一类以远距保持狭窄著称的波束相结合，生成所谓的贝塞尔涡旋波束。他们对设计进行了精细调整，使得在常用的医疗超声频率2兆赫时，这四束波在水中仍能保持聚焦并相互分离。计算机模拟和使用高精度3D打印样品的水槽实验表明，波束以预期角度发出，误差小于一度，而且大部分声能集中在每个涡旋的主芯区，而非不需要的旁瓣。

调节强度与形状

由于透镜是按通道逐像素编码，设计者不仅可以改变每束波的方向，还能调整其扭转强度和强度大小。通过为某些通道指定更高的“扭转阶数”，他们能产生更宽、更分散的漩涡，而较低阶数则保持更紧密——这在希望把不同粒径的颗粒捕获到不同位置时很有用。他们还展示了一个双通道版本的透镜，在该设计中更多表面面积用于更少的波束。在这种情况下，与四通道设计相比，涡旋核心附近的声强几乎提高了四倍，牺牲通道数量以换取更强、更干净的波束。

从实验演示到未来工具

对声场的测量证实，每个通道都与理想涡旋形状高度吻合，且通道间干扰很小。该方法在与早期将多种模式简单叠加的方案比较时也更具优势：通过将表面划分为交错区域，新透镜减少了能量浪费并更好地分离通道。就实际应用而言，这可能意味着紧凑的水下设备可以同时发送多路数据流，或利用不同涡旋同时按尺寸或类型对细胞进行分拣的声学镊子。展望未来，同样的逐像素方案还可以与简单的遮罩或主动开关配合使用，实现无需重建透镜即可开关通道，使扭曲声波在通信、成像和微尺度操控方面成为更为多才多艺的工具。

引用: Su, Y., Wang, D., Gu, Z. et al. Multi-channel ultrasonic Bessel vortex beams by spatial multiplexing metalens. Commun Eng 5, 50 (2026). https://doi.org/10.1038/s44172-026-00599-3

关键词: 超声涡旋波束, 水下声学, 声学超透镜, 空间复用, 声学镊子